淺談設(shè)計(jì)實(shí)例走進(jìn)三維建模與打印技術(shù)課堂
——微型阿基米德泵的設(shè)計(jì)與打印

劉佳音，林楊妙，劉元

（嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314003）

由于信息化、新材料和新能源的發(fā)展，3D打印機(jī)的出現(xiàn)使制造變的更有創(chuàng)造性，教育也必須向個(gè)性化差異化轉(zhuǎn)變。三維建模與打印技術(shù)是本校機(jī)械類專業(yè)的一門主要專業(yè)核心課程。其任務(wù)是通過本課程的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，使學(xué)生掌握Solidworks軟件的主要設(shè)計(jì)建模功能，具備解決機(jī)械、航天航空、汽車、造船、通用機(jī)械和電子等產(chǎn)品建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的實(shí)際問題能力；并通過操作3D打印機(jī)等數(shù)字化制作設(shè)備，把豐富多彩的創(chuàng)意打印成物品。本課程設(shè)置有初識(shí)Solidworks軟件、二維繪圖、三維建模、3D打印四大部分，以及拉伸建模、旋轉(zhuǎn)建模、掃描建模、放樣建模、曲面建模、綜合實(shí)訓(xùn)、初識(shí)3D打印、3D打印簡(jiǎn)單零件工藝設(shè)計(jì)及材料分析、3D打印制作及后處理、零件打印10個(gè)項(xiàng)目。

本文選取綜合實(shí)訓(xùn)、3D打印部分進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，所用的案例是微型阿基米德泵，它是一種為旋轉(zhuǎn)拖把桶等沉重的容量器皿設(shè)計(jì)的進(jìn)排水組件，以方便、造價(jià)低廉為目標(biāo)，設(shè)計(jì)新的進(jìn)水排水結(jié)構(gòu)、增加可拆卸的結(jié)構(gòu)，可以讓消費(fèi)者根據(jù)使用場(chǎng)合，自主選擇是否使用，以期達(dá)到更加省力、更加便利的目的。學(xué)生要根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，對(duì)該組件的功用、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定各部分連接方式及尺寸。

1 阿基米德泵

阿基米德螺旋泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)速低，葉片之間的空間較大，不易產(chǎn)生堵塞，適用于抽送含固體雜質(zhì)的流體，進(jìn)口流速的分布不影響泵的水力性能，對(duì)進(jìn)水池要求簡(jiǎn)單，低揚(yáng)程，大流量，可靠性高，輔助設(shè)備少，易于控制。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查拖把桶尺寸數(shù)據(jù)，一般拖把桶成長方體，高（揚(yáng)程）一般有H=0.25-0.3m，容積V≈0.5m3。設(shè)計(jì)時(shí)，螺旋泵安裝角取α=30°最為合適，葉片數(shù)取3，當(dāng)內(nèi)徑d=0.5D時(shí)，葉片間距S=0.8D時(shí)，阿基米德螺旋泵的效率最高。在此條件下，螺旋泵關(guān)鍵部件內(nèi)螺桿的建議尺寸為：

取D=0.05，則d=0.025，S=0.04。取H=0.3m，則L=0.6m。

設(shè)計(jì)完成的進(jìn)排水組件的結(jié)構(gòu)建議有：1內(nèi)螺桿，2外殼，3下端蓋，4軸承，5下套筒，6排水管，7電機(jī)，8電池，9下電源組殼，10上電源組殼，11上端蓋，12軸承，13下端蓋，14手柄，15進(jìn)水管。

三維設(shè)計(jì)要求：根據(jù)1內(nèi)螺桿確定2外殼的尺寸及其他部分配合尺寸；確定2外殼與1內(nèi)螺桿的連接方式；達(dá)到盡量保護(hù)軸承的要求；9下電源組殼，10上電源組殼須與選用的電池和電機(jī)的尺寸鍥合；14手柄、15進(jìn)水管、6排水管須根據(jù)需求拆卸。

2 課程實(shí)施

教學(xué)策略方面，采用“三六五”模式。“三”是采用平臺(tái)+資源+項(xiàng)目三個(gè)方面，教學(xué)平臺(tái)發(fā)布在線任務(wù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整策略。充分利用教材、競(jìng)賽標(biāo)準(zhǔn)、軟硬件設(shè)備優(yōu)化教學(xué)資源，并結(jié)合企業(yè)項(xiàng)目開發(fā)優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)任務(wù)。“六”是依據(jù)行動(dòng)導(dǎo)向教學(xué)法凝練出“析-引-策-施-評(píng)-拓”六個(gè)方面，保障教學(xué)實(shí)施效果。“五”是自評(píng)、互評(píng)、點(diǎn)評(píng)、真評(píng)、展評(píng)五個(gè)方面實(shí)現(xiàn)多元評(píng)價(jià)。

通過平臺(tái)在線測(cè)試等多渠道多角度對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)情分析。主要圍繞學(xué)生建模理論知識(shí)和實(shí)操基礎(chǔ)、3D打印基礎(chǔ)知識(shí)及能力得出反饋：學(xué)生建模基本知識(shí)掌握較好；理論及實(shí)操薄弱。以內(nèi)螺桿的建模為例。自主學(xué)習(xí)線上課程資源，在潛移默化中掌握知識(shí)和技能，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。了解內(nèi)螺桿的特征構(gòu)成，確定內(nèi)螺桿建模流程，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真觀察的職業(yè)素養(yǎng)。通小組討論，小組互助等形式，養(yǎng)成團(tuán)結(jié)協(xié)作的工作作風(fēng)。按組進(jìn)行練習(xí)，養(yǎng)成團(tuán)結(jié)協(xié)作的工作作風(fēng)，按組獨(dú)立制定方案，提升學(xué)生問題處置能力，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)職業(yè)的認(rèn)同和熱愛。

教師活動(dòng)：（1）確定分組，發(fā)布課堂互動(dòng)，小組討論；（2）引導(dǎo)學(xué)生找出內(nèi)螺桿建模時(shí)所用到的插入螺旋線命令工具；（3）演示該命令的基本使用方法；（4）組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)操練習(xí)，練習(xí)時(shí)要求建模流程清晰。

學(xué)生活動(dòng)：（1）確定分組后，討內(nèi)螺桿的建模流程；（2）參加課堂學(xué)習(xí)、互動(dòng)、小組討論，查找資料，并將討論結(jié)果在電腦上演示；根據(jù)教師指導(dǎo)意見進(jìn)行實(shí)操練習(xí)。師生互動(dòng)：巡回指導(dǎo)，回答學(xué)生問題，糾正錯(cuò)誤操作，指出常見問題，檢查學(xué)生完成情況，點(diǎn)評(píng)打分。生生互動(dòng)：選取其中一組分享匯報(bào)，其他組進(jìn)行交流和互評(píng)。

3D打印制作及后處理環(huán)節(jié)。讓學(xué)生初步了解項(xiàng)目需求，并為思考項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃做準(zhǔn)備，課上進(jìn)行多次交流互動(dòng)，并根據(jù)需要隨時(shí)做出調(diào)整， 培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。以學(xué)生為主體，讓學(xué)生制定項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃，教師在其中充當(dāng)答疑、糾錯(cuò)等角色。同時(shí)讓學(xué)生分工并合作，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的工作作風(fēng)。分配總項(xiàng)目工作，小組討論決策，明確組內(nèi)成員完成任務(wù)所需要的時(shí)間。此階段會(huì)收發(fā)對(duì)項(xiàng)目計(jì)劃階段工作的重新思考并及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整。小組成員堅(jiān)守在各自崗位上自主工作，默契配合其他成員，與老師和其他小組進(jìn)行溝通。

教師活動(dòng)：（1）講解開關(guān)機(jī)、機(jī)器的工作界面；（2）講解并示范打印機(jī)預(yù)熱、噴頭移動(dòng)、平臺(tái)升降等手動(dòng)操作方式；（3）講解并示范裝卸耗材、調(diào)平等基本操作；（4）講解樣品打印后，打印機(jī)的保養(yǎng)及實(shí)訓(xùn)室5S管理問題。

學(xué)生活動(dòng)：（1）熟悉打印機(jī)的開關(guān)機(jī)操作和工作界面； （2）根據(jù)老師示范，動(dòng)手操作預(yù)熱、移動(dòng)噴頭、升降平臺(tái)等手動(dòng)操作；（3）根據(jù)自己喜歡的顏色，進(jìn)行裝卸耗材，打印機(jī)調(diào)平等操作；（4）開始打印作品，并全程控制打印過程； （5）打印后根據(jù)5S管理將物品歸類、對(duì)打印機(jī)進(jìn)行維護(hù)及保養(yǎng)等。師生互動(dòng)：教師示范，學(xué)生根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作進(jìn)行操作，并在操作過程中思考和提問。生生互動(dòng)：每組輪流分享匯報(bào)打印成果，其他組進(jìn)行交流和互評(píng)。通過作品展示、小組自評(píng)、互評(píng)方式，啟發(fā)學(xué)生積極思考，客觀評(píng)價(jià)，糾正錯(cuò)誤。

3 教學(xué)效果

教師將要求掌握的知識(shí)點(diǎn)巧妙地融合在任務(wù)中去，讓學(xué)生具體地完成任務(wù)，掌握任務(wù)中蘊(yùn)含的知識(shí)點(diǎn)，并能熟練運(yùn)用這些知識(shí)點(diǎn)解決實(shí)際問題，以完成教學(xué)目標(biāo)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動(dòng)性，進(jìn)一步提高了學(xué)生的實(shí)踐技能。經(jīng)過任務(wù)模塊學(xué)習(xí)，課內(nèi)過程性評(píng)價(jià)（自評(píng)、互評(píng)、點(diǎn)評(píng)）及課后達(dá)標(biāo)測(cè)試，90%以上學(xué)生掌握三維建模能力85%以上同學(xué)基本掌握3D打印操作技巧和理論內(nèi)容。比對(duì)知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)、素質(zhì)目標(biāo)前后對(duì)比，達(dá)到較好的教學(xué)效果。

課后鼓勵(lì)學(xué)生參加全國3D創(chuàng)新大賽、互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、職業(yè)院校“挑戰(zhàn)杯”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等各類比賽。以賽促教，以賽促學(xué)。

校企融合開展現(xiàn)代學(xué)徒制教學(xué)，采用企業(yè)導(dǎo)師和學(xué)校老師相結(jié)合的雙師隊(duì)伍教學(xué)，創(chuàng)設(shè)企業(yè)工作情境，任務(wù)實(shí)施激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也培養(yǎng)了學(xué)生高度的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)、崗位規(guī)范意識(shí)和成本意識(shí)，為后續(xù)從事三維建模崗位或3D打印技術(shù)崗位工作打下堅(jiān)實(shí)的知識(shí)和方法論的基礎(chǔ)。同時(shí)，學(xué)院3D社團(tuán)成員不斷擴(kuò)大，3D打印服務(wù)中心業(yè)務(wù)量達(dá)上千件。

4 結(jié)語

這門課程能讓學(xué)生大膽創(chuàng)新將自己的想法變?yōu)橹庇^動(dòng)態(tài)的模型，強(qiáng)化了實(shí)踐教學(xué)。但是，使設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)入課堂時(shí)也有不足之處。Solidworks設(shè)計(jì)實(shí)例建模時(shí)，學(xué)生對(duì)尺寸不敏感，機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)儲(chǔ)備不充足，工作量大，需要較多學(xué)時(shí)予以補(bǔ)充。在進(jìn)行3D打印操作實(shí)訓(xùn)時(shí)，因打印設(shè)備資源有限，且打印機(jī)精度較低，零件分別打印后難以裝配。

接下來的教學(xué)中將更多采用企業(yè)真實(shí)項(xiàng)目，日常教學(xué)中增加渲染教學(xué)。在原行動(dòng)導(dǎo)向、項(xiàng)目化教學(xué)基礎(chǔ)上，增加交互體驗(yàn)；對(duì)照1+X證書試點(diǎn)的要求，優(yōu)化課程設(shè)置和教學(xué)內(nèi)容，統(tǒng)籌教學(xué)組織與實(shí)施，深化教學(xué)方式方法改革，提高人才培養(yǎng)的靈活性、適應(yīng)性、針對(duì)性。